3D打印技术在食品工业中的应用概述

曹沐曦，詹倩怡，沈晓琦，王 娟

（华南理工大学食品科学与工程学院，广东广州510641）

3D打印技术是一种以计算机控制激光或者喷墨装置的移动来对三维对象进行数字化设计和制造的技术[1]。目前，3D打印技术在机械工程、航空、医疗、食品等领域中得到广泛应用。随着生活水平不断提高，健康饮食理念深入人心，越来越多的人追求个性化、美观化的营养饮食。传统食品加工技术很难完全满足这些需求，3D食品打印技术不仅能自由搭配、均衡营养，以满足各类消费群体的个性化营养需求；还可以改善食品品质，根据人们情感需求改变食物形状，增加食品的趣味性[2]。因此，3D食品打印技术为健康个性化饮食提供了可能性，在食品工业中有着良好的发展前景。

1 3D打印技术原理

3D打印技术是快速成型技术的一种，主要分为数字建模、路径规划、实际打印等3个步骤。

1.1 数字建模

建立打印模型时，可以使用CAD等三维绘图软件进行设计；也可以使用三维扫描仪，直接对相应物体进行轮廓和造型识别，将模型信息存入计算机中。

1.2 路径规划

获取了三维模型的信息后，计算机会将三维立体图像分解成一层层的二维平面图像。一般来讲，分割层数越多，打印的精度越高，但同时花费时间更长，成本更高。在使用3D打印技术时，还需要针对所用材料的特性和精度要求来决定打印的层数。确定二维平面图像后，计算机规划好每层的打印路径。打印路径往往对最终的成品效果影响较大。

1.3 实际打印

相关硬件根据存入的路径信息进行操作，最终打印出成品。根据不同材料选用不同机器。打印过程中，需要分别对打印速度、喷头温度、挤出量等因素进行控制，这样才能保证最后成品的质量。

2 食品加工中的3D打印技术

2.1 选择性激光/热风烧结技术

选择性激光烧结技术（Selective Laser Sintering，SLS）是通过激光的照射，使粉末状颗粒吸收能量，进而烧结定型的技术。打印进程中，利用刀片或滚筒在平台上均匀铺上一层粉末，然后使用激光按照规划路径塑造出轮廓。激光辐射被粉末颗粒吸收，产生局部加热，引起相邻颗粒的软化、熔化和固化。然后，平台下降一层的高度，在已烧结的层上方再进行粉末沉积；重复操作，直至打印完成。TNO公司以糖和雀巢巧伴伴粉为原料使用激光烧结技术制造出产品[3]。选择性热风烧结技术（Selective Hot Air Sintering and Melting，SHASAM）的原理与SLS技术类似，利用热空气源的热能进行烧结。热风的温度和流速对最终的产品质量有很大影响[4]。

该技术由于需要将粉末熔化，因此适用于熔点相对较低的糖和富含糖的粉末。但是，在实际情况中，打印过程往往会因为不同粉末的特性而变得复杂[2]。

2.2 热熔挤出/室温挤出技术

热熔挤出又名熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM），是一种通过加热固体或半固体原料，使其熔化为液体被挤出后在平台上凝固成型的技术。加热点温度通常设置的略高于原料熔点[5]。FDM打印的物体必须有支撑结构，否则在从下向上打印的过程中，上层悬空的部分就会掉落。2011年，英国埃克塞特大学利用FDM技术打印巧克力[6]。室温挤出方式只是缺少了加热这一环节，原料在室温下被挤出，在平台上靠自身的黏性相连接。

该技术的优点在于工艺简单、可选用的材料较多。但是，它们的技术特点决定了不能打印过于复杂的结构，且精度较低，层与层之间的缝隙较明显。

2.3 黏结剂喷射技术

黏结剂喷射技术也叫三维印刷技术（Three Dimensional Printing，3DP），是一种通过喷射黏结剂，使粉末颗粒黏结成型的技术。黏结剂喷射技术最初在食品中应用时，完全依靠蔗糖的吸湿性来打印，所用原料为蔗糖粉末，黏结剂为水。现在食品打印中，可以用的黏结剂主要有蔗糖、阿拉伯胶、聚乙烯醇[7]及水和醇基的混合液体[8]。食品中的黏结剂除了帮助成型的作用外，一般还有调节口味和色泽的功能。

黏结剂喷射技术可以快速制备产品，其原料成本较低，但是机械成本较高，成品表面光洁度较差。

2.4 喷墨打印技术

喷墨打印技术（Inkjet printing，IJP）是按照计算机中的路径将液体喷射到介质表面，液体在介质表面固化的技术。喷墨打印在食品中的固化方式主要为热固化，打印材料在喷头中被加热为液体，产生流动性，喷射到介质上后凝固成型。除此之外，原料还可与易挥发的溶剂混合，滴落后，溶剂迅速挥发，原料以固体或半固体状态留在平台上[4]。喷墨打印技术并不是整体逐层打印。在食品领域，主要是二维打印技术的延伸，通过局部打印对食品进行表面花纹装饰、内部腔体填充等。

喷墨打印能精准控制液滴流速和体积，因此精度较高。该技术在一些色彩丰富、图案多样的食品中有着良好的应用前景。

3 食品3D打印原料需满足的特性

3D打印技术在食品应用方面的难点之一是打印原料的选择和处理。3D打印的食品原料需要满足3个特性，可打印性、适用性和可后续加工性[9]。

3.1 可打印性

该特性表示原料能够利用3D打印机进行打印，并且在打印之后能够保持设定好的形态结构。

对于液体状或糊状原料来说，决定打印性的主要是原料的流变特性、凝胶特性、玻璃转化温度和熔点[10-12]。具有剪切变稀行为的物质显然对3D食品的构造有很大帮助，因为它们可以在高剪切应力的环境下，降低黏度，便于从喷嘴中挤出，并在离开喷头后变得坚硬并固化。添加适量淀粉后，糊状原料表现出剪切变稀行为，其机械强度足够强，因此物体可以保持一定的结构稳定性，并具有更平滑的表面和精度[13]，但淀粉也不可添加过多，否则会由于黏度过大而使原料难以挤出。一些可溶性蛋白质也可以改变原料的流变特性，从而利于打印成型，但是针对不同原料的特性需要搭配不同种类和剂量的蛋白。加入NaCl可以调节蛋白的黏弹性，使打印物具有光滑的表面结构。加入水胶体可以降低淀粉、蛋白及明胶等食品聚合物的玻璃转化温度[14-15]。此外，材料的结晶状态对于在打印后使沉积的材料支撑其自身的结构也至关重要。

对于粉末状原料来说，打印性主要指粉体的粒度分布、堆积密度、润湿性和流动特性[16-18]。粉末状原料的颗粒直径呈双峰或多峰分布时，增强了粉末的分散分布，空隙率较低，比较容易打印出理想结构[21]。根据相关研究，直径在30～100μm的粉末颗粒打印出的物体机械强度较大[19]。流动特性还受粉末颗粒大小、形状、粉末密度的影响。球形粉末颗粒的流动性优于非球形，粗颗粒流动性优于细颗粒[20-21]。

3.2 适用性

3D打印技术具有定制化、个性化的特点，这些特点使其在食品中的应用备受期待。原料的物性决定了其适用性，根据不同的原料特性可以有不同的打印方式。截至目前，科学家发现的比较合适的原料是薯类、谷物类、果蔬类、植物胶类和富含蛋白质的动物性原料，但由于技术限制，仍然有很多可食用原料不能被用于3D打印。

3.3 可后续加工性

可后续加工性指的是打印物经过必要的烹饪方式之后还能够保持结构和性能稳定的特性。该特性对流体原料来说非常重要，不同流体原料的组成不同，其经过后续加工得到的最终产品效果也不同[22-23]。例如，3D打印曲奇，原料中的蛋黄、黄油、糖的比例调整能影响到曲奇在后续加工过程中的形状稳定性。

4 3D打印技术在食品中的应用

4.1 巧克力和糖果

2011年7月，英国埃克塞特大学研发出世界首台3D巧克力打印机，并于次年4月推向市场。这台3D巧克力打印机以液态巧克力为“油墨”，通过打印机上的保温和冷却系统，实现了巧克力加热熔融到凝固成型的过程[6]。2014年5月，郝亮团队开发出第二代3D巧克力打印机Choc Creator 2.0，该版本拥有新的自动温度控制系统，能较好地控制流量，快速精确地打印出客户定制的图案或模型[24]。同时，Hao L等人[25]研究出一种新型巧克力制造方法ChocALM，分析了巧克力在液态和固态相互转化时的晶体变化。

与巧克力类似，糖也具有受热熔化变软、冷却变硬的特性。2014年3月，3D Systems公司推出了3D打印糖果，这些糖果由ChefJet系列打印机打印出，利用砂糖、巧克力和奶油等原料打印出形状复杂的糖果和巧克力[26]。2015年，香港工程师Guru和麻省理工学院Victor Leung共同研制出一台以固态糖为原料，采用FDM打印技术的3D打印机。德国糖果公司Katjes开发出了全新的3D软糖打印机Magic Candy Factory，软糖原料主要由果胶、糖和水果提取物组成[27]。

除了开发专门的3D食品打印机，德国Print2Taste公司还设计了一款Bocusini插件，可为具备开放源代码的3D打印机扩展打印食品的功能，可打印的食品原料包括巧克力、糖果、果冻等，这些材料经特殊均质处理，在打印之后可保持形状不变。

4.2 烘焙食品

2013年美国航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）成功研发可以打印披萨的3D打印机[28]。康奈尔大学的机械实验室也利用3D打印技术，打印出个性化的曲奇[29]。2015年，荷兰技术公司TNO与意大利面食公司Barilla公司合作研发了以小麦粗粉和水为原料的3D打印意大利面[30]。Barilla在2016年Parma的CIBUS国际食品展示的3D打印机能够打印4种独特的意大利面形状，而且营养成分、质地和颜色都可以控制[31]。

3D食品打印技术也能够制作出我国的传统点心。2015年杭州大学生成功制作出了3D打印月饼并顺利推向市场。这个团队通过对传统生产线的改造，将3D打印技术广泛应用于饼干、糕点等食品的生产，受到了不少传统食品厂商的青睐[32]。2017年，胡雪等人[33]通过对传统的3D打印机进行改造，制作出了专门的3D煎饼打印机，能够简便地打印出好吃又美观的煎饼。

4.3 肉制品

人造肉在近年来慢慢进入人们的视野。这种打印出的人造肉味道与肉糜味道相差无几，只是具有了别样的形状，因此这种3D打印肉主要适用于老年人和咀嚼、吞咽困难的病人[34]。Lipton J等人[35]以火鸡肉、扇贝、芹菜为原料，打印产品在加入转谷氨酰胺酶改性处理后可适应缓慢烹制和油炸，在加入可可粉后能在烘焙过程中保持其复杂的内部结构。

然而这些人造肉所用的原料还是真实的生肉，直到2012年7月，美国宾夕法尼亚大学用3D打印技术制造了人造生肉，它们使用水基溶胶为黏结剂，将糖、蛋白质、脂肪、肌肉细胞等原料组合在一起，打印出的人造肉有弹性，烹饪后有咀嚼性，营养和外观都和真实的生肉接近，连肉里的微细血管都能打印出来[36-38]。

4.4 水果和蔬菜

由于大部分水果蔬菜都具有多汁的特性，难以成型，因此水果和蔬菜较少作为3D打印的原料。英国的DovetaiLED公司推出一款使用分子球化工艺的“水果打印机”，打印前，将果汁与海藻酸混合，滴入预冷的氯化钙溶液中，最后果汁混合液被包裹上一层薄膜。水果打印机打印的并不是真正意义上的水果，但能提供像真实水果一样的口感[29]。

4.5 奶制品

传统的奶油类食品是面点师傅依靠经验手工妆点，花样少而陈旧，成本高且不卫生。采用3D打印技术，可以克服这些弊端[39]。2013年，孙铁波等人[40]率先提出了3D奶油打印机的设计方案。2016年姚青华[39]设计的3D奶油打印机，采用了成熟的设备设施进行有机组合，且利用喷射技术、三相机械控制技术解决了奶油的不易流动性问题，实现了连续化、细腻打印的可能。

软冰激凌是一种半流固态冷冻甜品，口感细腻，具有一定的塑型性，也成为3D打印食品的研究对象之一[41]。2014年，首台3D冰激凌打印机诞生于美国麻省理工大学，是由1台3D打印机和1台冰激凌机组合而成。目前，3D冰激凌打印机打印一个产品仅需1～2 min，“O2O”（Online to Office）模式也被应用在3D打印冰激凌中[42]。

4.6 其他

除了这些常规的食品之外，科学家们还利用3D打印技术研发出了昆虫食品。英国科学家们进行了名为“昆虫焗”的项目，把食用昆虫转换成“面粉”，再通过3D打印机打印出来。制作出来的昆虫食品就没有了虫子外观，易于被人们接受，而且昆虫面粉富含蛋白质和矿物质，可以和奶酪、巧克力或香料混合打印成面包等其他菜肴[43]。

3D食品打印技术在航天食品方面也具有非常好的发展前景。自2013年起，NASA便开始大力开发用于长时间太空任务的3D打印食品系统，成功研发能在太空生产披萨、营养面糊等食品的3D打印机[44-45]。我国也在绿航星际-180试验中使用了自主设计制造的3D食品打印机，并取得了良好的试验效果[46]。

5 3D打印技术在食品中应用的优点和存在的问题

人们对个性化理念的追求使得食品3D打印技术快速发展。目前，在改善食品外观和口感、定制个人营养食谱、制作航天食品和“病号餐”及发明新食品等方面，有着很大优势。

但也存在很多待解决的问题。首先，食品原料的选择较单一，能真正完全打印的食品较少。有的只是用它进行一些表面装饰。其次，该技术智能化程度不高。在成熟理想的3D食品打印体系里，人们可通过“一键化”的方式将食品形状设计、营养比例、烹饪方式等联合起来，简化食品3D打印技术程序。最后，清洁问题。3D打印结束时，不仅要考虑成品的食品安全问题而且还要考虑3D打印机中的余料不会对下一批产品造成影响，所以要对其进行清洗。目前，3D打印机主要依靠刷子进行清洁，既不方便又很难清理干净，因此设计一个应用于食品3D打印机后续清洁的方案很有必要。

6 结语

食品3D打印技术还处于发展阶段，商业领域的尝试也才起步不久。2016年，世界上第一家3D美食店Food ink进行了为期3 d的试营业，引起了极大关注。2019年，研究人员已经研发出可以用于定制3D打印食品的APP[47]。可以预见，3D打印食品不仅会给家庭和个人带来全新的体验，而且3D打印食品技术的市场潜力和销售范围也会不断扩大。3D打印食品有望商品化，这种膳食定制、造型随心的烹饪方式将会逐渐普及，从而成为人类饮食方式的有益补充。